DE102015111486A1

DE102015111486A1 - Verfahren zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten in einem Brennprozess

Info

Publication number: DE102015111486A1
Application number: DE102015111486.0A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Teutenberg; Jürgen Schneberger; Marc Bornefeld; Oliver Maier; Uwe Bendig
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2017-01-19
Also published as: EP3322937B1; WO2017009156A1; EP3322937A1; DK3322937T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten in einem Brennprozess, wobei wenigstens ein Brennstoff oder wenigstens ein Brennstoffgemisch zum Einsatz kommt, wobei der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch über eine Zuführstrecke wenigstens einer Verbrennungszone zugeführt wird. Der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch wird während seiner Förderung zu der Verbrennungszone wenigstens einer ersten chemischen Analyse unterzogen, wobei die bei der ersten chemischen Analyse ermittelten Werte zur Regelung des Brennprozesses verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten in einem Brennprozess, wobei wenigstens ein Brennstoff oder wenigstens ein Brennstoffgemisch zum Einsatz kommt, wobei der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch über eine Zuführstrecke wenigstens einer Verbrennungszone zugeführt wird.
In vielen Bereichen der Industrie, wie beispielsweise bei Zement-, Kalk- und Braunkohlekraftwerkten und großenteils auch in Industriekraftwerken, werden in zunehmendem Maße Sekundärbrennstoffe, insbesondere aus Hausmüll und Gewerbeabfällen, eingesetzt. Die Aufbereitungsintensität des Brennstoffs ist dabei von seinem Einsatzbereich sowie von unterschiedlichen Qualitätsanforderungen des Abnehmers, die eine eindeutige Spezifikation des abzunehmenden Brennstoffs vorgeben, abhängig. Bedeutende Brennstoffparameter ergeben sich aus der Qualität der bei der Brennstoffherstellung genutzten Rohabfälle. Diese sind insbesondere Heizwert, Glührückstand (Veraschen) und Chlorgehalt. Je nach den emissionsrechtlichen Genehmigungen der Anlage, in der der Brennstoff verwertet wird, werden Mindest- und Höchstwerte für Schwermetallgehalte definiert und verschiedene Forderungen an den Grad der Metallentfrachtung gestellt. An die Korngröße des Brennstoffs werden ebenfalls unterschiedliche Anforderungen gestellt. Besonders wichtig ist hier die Stückigkeit, also die Begrenzung der Stückgröße und Schüttdichte. Auch die Art der Lagerung und des Transportes sind von der Verwertungsweise des Brennstoffes abhängig.
Je höher die Qualitätsanforderungen durch die Abnehmer des Brennstoffs (Sekundärbrennstoff) sind, desto selektiver muss die eingesetzte Abfalltrennung vorgenommen werden. Schon bei der Eingangskontrolle muss eine Mindestqualität des Rohabfalls sichergestellt werden, um Verunreinigungen zu minimieren und eine hohe Brennstoffausbeute zu erhalten. Die Aufbereitung eines Abfallgemisches beginnt mit der Vorsortierung bzw. der Störstoffauslese, es folgen die Grobzerkleinerung und darauf die Siebklassierung sowie die Eisen-Magnetscheidung magnetisierbarer Metalle. Zur Abtrennung von hochkalorischen Fraktionen werden Windsichter eingesetzt. Dadurch werden Kunststofffolien und Papier angereichert bzw. flächige und flugfähige Bestandteile im Leichtstoffstrom gesammelt.
Um qualitätsgesicherte Sekundärbrennstoffe herzustellen, sind weitere Aufbereitungsschritte notwendig. Für den Einsatz in Zementwerken wird zum Beispiel eine Feinaufbereitung durchgeführt, wobei sensorische Sortierungen durch Nahinfrarotspektroskopie und Bilderkennungssysteme stattfinden. Es können auch weitere Metallsortierungen zur Anwendung kommen, sodass Nichteisenmetalle abgeschieden werden. Durch eine Sensorsortierung können weiterhin Chlorträger entfernt werden. Ein nachgeschalteter Windsichter kann dabei weitere Störstoffe aussortieren und durch Trocknungsschritte werden Lagerstabilität und Heizwert erhöht.
Anlagen welche Sekundärbrennstoffe nutzen, müssen europaweit mindestens den Anforderungen der EU-Richtlinie 2000/76/EG zur Verbrennung und Mitverbrennung von Abfällen entsprechen. Im Deutschland gilt für die Abfallverbrennung und Mitverbrennungsanlagen außerdem die 17.BlmSchV.
Mit Energieanteilen von ungefähr 15% und darüber eignen sich Rohabfälle wie Altreifen, Kunststoffe, Industrie- und Gewerbeabfälle sowie Tiermehl und Tierfette zur Sekundärbrennstoffaufbereitung für den Einsatz in der Zementindustrie. Mit geringeren Energieanteilen werden unter anderem auch Altöl, Lösungsmittel sowie Siedlungsabfälle für die Aufbereitung genutzt.
Die zur Verfügung stehenden Sekundärbrennstoffe sind jedoch in ihrer Materialqualität oft sehr inhomogen. Um die immer enger definierten Emissionsgrenzwerte einhalten zu können, ist es von besonderem Interesse den Gehalt an Störstoffen, wie Schwefel, Schwermetallen und Chlor, der zum Einsatz kommenden Sekundärbrennstoffe zu kennen. Aufgrund der Heterogenität der genutzten Sekundärbrennstoffe ist es aber nach wie vor schwierig, belastbare Aussagen über die Materialqualität zu gewinnen.
In der Praxis werden entsprechend aufbereitete Sekundärbrennstoffe mit bestimmter Qualität vertrieben. Zur Analyse der eingesetzten Brennstoffe kommen insbesondere eine Nahinfrarotspektroskopie (NIR) oder Röntgenfluoreszenz-Analysen (RFA) zur Anwendung. Dabei lassen sich beispielsweise die Materialzusammensetzung, der Feuchtigkeitsgehalt und die Schadstoffgehalte analysieren. Des Weiteren kommen auch nasschemische Analysen zur Anwendung, die jedoch aufgrund der stark schwankenden Zusammensetzung der Sekundärbrennstoffe sehr aufwendig sind.
Stark schwankende Zusammensetzungen der Sekundärbrennstoffe bedingen aber auch entsprechend stark variierende Emissionen. Es kommt hinzu, dass die Sekundärbrennstoffe oftmals aus einem Gemisch unterschiedlicherer Sekundärbrennstoffe bestehen und dadurch bedingt auch der Brennwert innerhalb einer Charge schwanken kann. Für viele Verbrennungsprozesse, wie beispielsweise bei der Zementklinkerherstellung, kommt es jedoch entscheidend auf eine möglichst gleichmäßige Wärmezufuhr an, um die gewünschte Qualität des Endprodukts (Zementklinker) gewährleisten zu können. Die Forderungen an einen möglichst homogenen Brennwert und die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten stehen somit einer Erhöhung des Anteils an Sekundärbrennstoffen in einem Brennprozess entgegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten in einem Brennprozess zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, indem der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch während seiner Förderung zu der Verbrennungszone wenigstens einer ersten chemischen Analyse unterzogen wird und die bei der ersten chemischen Analyse ermittelten Werte zur Regelung des Brennprozesses verwendet werden.
Auf diese Weise kann zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten frühzeitig und unmittelbar auf den Brennprozess eingewirkt werden. Kommt beispielsweise ein erster und ein zweiter Brennstoff in der Verbrennungszone zum Einsatz, wobei es sich bei einem der Brennstoffe um einen Ersatzbrennstoff handelt, kann die Regelung des Brennstoffs in einer Beeinflussung der Brennstoffmengen bestehen. Wird beispielsweise festgestellt, dass der Ersatzbrennstoff einen zu niedrigen Brennwert hat, kann die Brennstoffzufuhr insgesamt erhöht werden bzw. ein höherwertiger Brennstoff mit einem entsprechend größeren Anteil zugeführt werden. Die Regelung des Brennprozesses kann aber beispielsweise auch in einer Veränderung der Verbrennungsluft oder in einer Verstellung der Flammenform am eingesetzten Brenner bestehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung findet der Brennprozess im Rahmen eines Zementherstellungsprozesses statt, wobei die Verbrennungszone durch einen Drehrohrofen und/oder einen Vorcalcinator gebildet wird. Der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch wird zudem über wenigstens einen Brenner der Verbrennungszone zugeführt. Die erste chemische Analyse ist derart ausgestaltet, dass insbesondere der Heizwert und/oder die Feuchte und/oder der Kohlenstoffgehalt und/oder der Chlorgehalt des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches bzw. der Schwefelgehalt und/oder Schwermetallgehalt des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches ermittelt werden. Bei der chemischen Analyse können insbesondere eine Röntgenfluoreszenzanalyse und/oder eine molekülspektroskopische Analyse (Infrarotspektroskopie, Ramanspektroskopie, UV/VIS-Spektroskopie und insbesondere eine Terahertz-Spektroskopie) zur Anwendung kommen. Molekülspektroskopische Analysemethoden eignen sich in besonderem Maße zur Überprüfung des Brennstoffes während seiner Förderung zu der Brennzone, zumal sie berührungslos erfolgen und keine weitere Aufbereitung des Brennstoffes erforderlich ist. Die Terahertz-Spektroskopie zeichnet sich gegenüber einer Nahinfrarotspektroskopie vor allem durch eine höhere Eindringtiefe aus, so dass auch überlappende Brennstofffraktionen detektiert werden können. Außerdem können mittels der Terahertz-Spektroskopie insbesondere der Heizwert, die Feuchte, der Kohlenstoffgehalt und der Chlorgehalt des Brennstoffs bzw. Brennstoffgemisches ermittelt werden.
Die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie (engl. Time Domain Spectroscopy TDS) eignet sich als eine zuverlässige Methode zur berührungslosen und zerstörungsfreien Untersuchung des Brennstoff bzw. Brennstoffgemisches.
Indem der Brennstoff bzw. das Brennstoffgemisches Punkt für Punkt durchleuchtet wird, lassen sich zusätzlich zur Spektroskopie auch Abbildungen im 2D-Format (Imaging) oder sogar 3D-Format (Tomographie) gewinnen. Terahertz-Wellen sind elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 10 THz. Viele Moleküle zeigen in diesem Spektralbereich charakteristische Signaturen in ihren Absorptionsspektren (chemischer Fingerabdruck). Darüber hinaus sind viele für sichtbares Licht oder Infrarot (IR) undurchdringliche Stoffe für Terahertz-Wellen transparent.
Die Terahertz-(Zeitbereichs)spektroskopie (THz-TDS) beruht auf der Erzeugung breitbandiger elektromagnetischer Strahlung durch ultrakurze Femtosekunden-Laserpulse und auf dem Nachweis mit dem Pump-Probe-Prinzip. Die Vorteile dabei sind eine kohärente Detektion der Terahertz-Wellen und damit eine hochaufgelöste Amplituden- und Phasenaufnahme des elektrischen Terahertz-Feldes im Zeitbereich. Diese Messtechnik unterdrückt inkohärente Strahlung, d. h. es gibt keine Störung durch Raumtemperatur und Umgebungslicht.
Im Unterschied zur IR- und Raman-Spektroskopie, die empfindlich für intramolekulare Schwingungs- und Rotationsbewegungen sind, gibt die Terahertz-Spektroskopie Aufschluss zu den intermolekularen Bewegungen. So lassen sich neben dem bloßen Nachweis von Makromolekülen Aussagen über Aggregatszustand, polymorphe Strukturen sowie die Kristalllinität der Substanzen treffen. Die Terahertz-Technik ist schneller, erfordert eine minimale Präparation des zu untersuchenden Objektes und kann prinzipiell zur Online-Kontrolle genutzt werden.
Mit Terahertz-Spektrometern kann der chemische Fingerabdruck von Substanzen (Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern) bestimmt werden. Messungen sind sowohl in Transmission als auch in Reflexion möglich. Zur Untersuchung von Pulvern und Flüssigkeiten kann auch eine ATR(Attenuated Total RefIexion)-Anordnung eingesetzt werden. Die Auswertung der Spektroskopie-Messwerte erfolgt vorzugsweise automatisiert mittels Chemometrie. Auch zur Ermittlung der Feuchtigkeitsverteilung kann das Terahertz-Spektrometer genutzt werden.
Neben der Regelung des Brennprozesses in Abhängigkeit der bei der ersten chemischen Analyse ermitteln Werte besteht ferner die Möglichkeit, eine Teilmenge des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches vor der Verbrennungszone auszusortieren, wenn diese aufgrund der ersten chemischen Analyse, beispielsweise wegen erhöhter Schadstoffgehalte an Schwefel, Schwermetallen und/oder Chlor, nicht zur Verbrennungszone gelangen soll.
Der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch kann beispielsweise durch Klärschlamm oder vorzugsweise durch eine flugfähige Fraktion (so genannter Fluff) gebildet werden, wobei die flugfähige Fraktion zweckmäßigerweise eine Korngröße von 1 bis 5 mm aufweist. Ist der verwendete Brennstoff oder das verwendete Brennstoffgemisch relativ inhomogen, bietet es sich an, den Brennstoff oder das Brennstoffgemisch auf der Zuführstrecke zu der Verbrennungszone in wenigstens einer Mühle zu zerkleinern und/oder zu homogenisieren. Dazu eignet sich beispielsweise eine zwischengeschaltete Wirbelstrommühle.
Neben der ersten chemischen Analyse besteht ferner die Möglichkeit, einen Teil des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches auf der Zuführstrecke zu der Verbrennungszone auszuschleusen und für eine zweite chemische Analyse aufzubereiten und zu analysieren. Dies wird beispielsweise dann durchgeführt, wenn mittels der ersten chemischen Analyse große Abweichungen von der Norm oder große Schwankungen erkannt werden.
Dabei wird der ausgeschleuste Brennstoff bzw. das Brennstoffgemisch zunächst wie folgt für die anschließende zweite Analyse aufbereitet:

a. der ausgeschleuste Brennstoff wird in zerkleinerter und homogenisierter Form bereitgestellt,
b. der bereitgestellte Brennstoff wird anschließend zusammen mit einem Mineral und/oder einem anorganischen Salz vermahlen und
c. schließlich wird aus dem vermahlenen Gemisch eine analysefertige Probe gefertigt, welche dann der zweiten chemischen Analyse unterzogen wird.

Dabei werden auch die bei der zweiten chemischen Analyse ermittelten Werte vorzugsweise zur Regelung des Brennprozesses verwendet.
Dieses Aufbereitungsverfahren des ausgeschleusten Brennstoffs stellt repräsentative Proben bereit, die reproduzierbare Analysen ermöglichen. Der Brennstoff sollte vorzugsweise mit einer Größe von weniger als 10 mm verarbeitet werden. Liegt der Brennstoff nicht schon beim Ausschleusen in der gewünschten Körnung vor, erfolgt im Verfahrensschritt a) eine Zerkleinerung und Homogenisierung in einer Mühle. Liegt der Brennstoff beispielsweise in Form von Fluff (flugfähige Fraktion) vor, kann die erste Zerkleinerung und Homogenisierung beispielsweise mit einer Rotorschere erfolgen. Je nach Art und Eigenschaften des Ersatzbrennstoffes kann gemäß Verfahrensschritt a) auch eine Vorzerkleinerung und Homogenisierung in einer ersten Mühle und eine Endzerkleinerung und Homogenisierung in wenigstens einer zweiten Mühle stattfinden, wobei als erste Mühle beispielsweise eine Rotorschere zum Einsatz kommt und die Endzerkleinerung und Homogenisierung beispielsweise in einer Schneidmühle oder einer Wirbelstrommühle durchgeführt wird.
Gemäß dem Verfahrensschritt b) wird der so aufbereitete, ausgeschleuste Brennstoff zusammen mit einem Mineral und/oder einem anorganischen Salz vermahlen, das vorzugsweise eine Körnung von 0,1 mm bis 8 mm aufweist. Dabei dient das Mineral und/oder anorganische Salz als Zerkleinerungshilfe und/oder Mahlhilfe und/oder Presshilfe. Des Weiteren kann es auch als Bindungshilfe, Auslösungshilfe und/oder Trennhilfe dienen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem anorganischen Salz um eine Verbindung, die keinen oder wenig Einfluss auf die nachfolgende Analysentechnik hat. Kommt beispielsweise eine Röntgenfluoreszenzanalyse zur Anwendung, bietet sich der Einsatz von Lithiumtetraborat als Aufbereitungshilfe an.
Es dient dazu, einzelne schwer zu mahlende Bestandteile des Probenmaterials zunächst soweit zu zerschneiden, dass diese besser mahlbar werden (z.B. Alufolie, Plastikmüll). Folien weichen beim Mahlprozess eher aus. Grobkörniges Lithiumtetraborat unterstützt hierbei das Pulverisieren.
Bei dem Mineral handelt es sich beispielsweise um Korund, Siliziumcarbide, Quarz (Quarzsand) und Glas. Das Mineral sollte zweckmäßigerweise eine Mohs-Härte von mindestens 5 aufweisen, um eine weitere, effiziente Zerkleinerung bzw. Vermahlung des Ersatzbrennstoffes zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Brennstoff im Verfahrensschritt b) in Form einer flugfähigen Fraktion zusammen mit dem Mineral und anorganischen Stoff vermahlen. Das Gemisch aus Brennstoff und dem Mineral und/oder dem anorganischen Salz wird im Verfahrensschritt b) vorzugsweise auf eine Größe kleiner 100 µm vermahlen.
Das vermahlene Gemisch wird im Verfahrensschritt c) vorzugsweise durch einen Pressvorgang, in eine bestimmte Form, beispielsweise eine Tablette oder einen Fladen, gebracht. Eine definierte Form vereinfacht das Handling bei der anschließenden Analyse und stellt auch eine definierte Größe für reproduzierbare Analysen dar. Des Weiteren werden durch die definierte Probenoberfläche einer gepressten Probe Genauigkeit (engl. precision) und Richtigkeit (engl. accuracy) der nachfolgenden Analyse verbessert. Werden die Proben beispielsweise in Stahlringe gepresst können sie mit RFID Transponder oder einem Code zur Vermeidung von Verwechselungen sicherer archiviert werden (RFID Transponder integriert in Stahlring).
Bei der zweiten chemischen Analyse kann es sich insbesondere um eine molekülspektroskopische Analyse handeln. Es kommen insbesondere eine Röntgenfluoreszenzanalyse, eine Terahertz-Spektroskopie, aber auch eine Infrarotspektroskopie, einer Ramanspektroskopie oder eine UV-VIS-Spektroskopie in Betracht. Neben der Analyse der im Verfahrensschritt c) hergestellten analysefertigen Proben ist es natürlich denkbar und zweckmäßig, dass schon während oder nach den einzelnen Verfahrensschritten a), b) und c) Untersuchungen, insbesondere mittels Terahertz-Spektroskopie, vorgenommen werden. Die Terahertz-Spektroskopie ermöglicht insbesondere die Bestimmung von Heizwert, Feuchte, Kohlenstoff- und Chlorgehalt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der zweiten chemischen Analyse werden mittels chemometrischer Methoden chemische Informationen aus den Daten extrahiert, die bei der Analyse der analysefertigen Proben ermittelt werden. Die dabei gewonnenen chemischen Informationen werden zweckmäßigerweise mit selbstlernenden Algorithmen in einer Datenbank zusammengefasst und klassifiziert. Zur Strukturierung der Daten bzw. Datensätze kann dabei insbesondere eine Clusteranalyse zur Anwendung kommen.
Unter Chemometrie versteht man die Anwendung mathematischer und statistischer Methoden, um zuverlässig Informationen aus experimentellen Messdaten zu extrahieren. Bei der Chemometrie werden als Grundlage für eine Automatisierung in einer ersten Phase des Trainings oder Lernphase meist bekannte Stoffe unter vielen verschiedenen Bedingungen wiederholt gemessen. Auf Basis dieser Daten werden anschließend Expertensysteme oder Datenbanken aufgebaut. In der zweiten Phase, der Testphase werden dann weitere Messungen durchgeführt und gegen die Datenbank getestet.
Da es unmöglich ist, Messungen unter allen dankbaren Bedingungen durchzuführen, sollte es das Ziel beim Aufbau der Datenbank sein, weitestgehend nur substanzspezifische Informationen aufzunehmen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der nicht-substanzspezifische Informationsanteil aus den gemessenen Spektren entfernt werden muss. Hierzu gehören unter anderen die Einflüsse von Wasserdampflinien und der Partikelstreuung. Der Einfluss der nicht-substanzspezifischen Informationsanteile kann durch eine geschickte Abfolge von spektralen Filtern minimiert werden. Nachdem alle Messdaten die informationsschärfende Filterfolge durchlaufen haben, wird eine Eigenschaftsreduktion durchgeführt. Als exploratives Werkzeug kann zum Beispiel die Hauptkomponentenanalyse „Principal Component Analysis“ (PCA) verwendet werden. Die PCA beschreibt die hochdimensionalen Merkmale in einem alternativen, orthogonalen Raum. Die erste Hauptachse liegt in Richtung der höchsten Varianz, die zweite Hauptachse liegt rechtwinklig dazu in Richtung der zweithöchsten Varianz und so weiter. Oft genügen schon wenige Hauptachsen um einen Großteil der Informationen zu charakterisieren. Die Anteile der höheren Hauptachsen bleiben anschließend unberücksichtigt. Die Darstellung der ursprünglichen Messungen in den PCA-transformierten Raum zeigt oft schon eine sichtbare Trennung der Daten. Im Idealfall bilden sich für jede Substanz einzelne Cluster.
Bei der Hauptkomponentenanalyse werden die umfangreichen Datensätze strukturiert, vereinfacht und veranschaulicht, indem eine Vielzahl statistischer Variablen durch eine geringere Zahl möglichst aussagekräftiger Linearkombinationen (die Hauptkomponenten) genährt wird. Wendet man dieses Verfahren auf die hier interessierende Analyse der Ersatzbrennstoffe an, so können beispielsweise Beziehungen zwischen den PVC-Anteilen und dem Chlorgehalt oder dem PVC-Anteil und dem Heizwert oder dem Chlorgehalt und dem Heizwert und dergleichen erkennbar und erlernbar sein.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Blockschaltbild zur Aufbereitung des ausgeschleusten Brennstoffs und
3 ein detaillierteres Blockschaltbild des Verfahrens zur Aufbereitung des ausgeschleusten Brennstoffs in Verbindung mit der anschließenden, zweiten chemischen Analyse des Brennstoffs.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Brennstoff 1 über eine Zuführstrecke 2 wenigstens einer Verbrennungszone 5 zugeführt, bei der es sich beispielsweise um einen Drehrohrofen und/oder einen Vorcalcinator mit einem Brenner handelt. Bei dem zum Einsatz kommenden Brennstoff 1 kann es sich beispielsweise auch um ein Brennstoffgemisch handeln, wobei vorzugsweise ein Sekundärbrennstoff zur Anwendung kommt.
Der Brennstoff 1 wird dabei auf der Zuführstrecke 2 zur Verbrennungszone 5 zunächst in wenigstens einer Mühle 3, beispielsweise einer Wirbelstrommühle, weiter zerkleinert und/oder homogenisiert. Der Brennstoff 1 sollte für die Aufgabe in der Verbrennungszone 5 vorzugsweise in einer flugfähigen Fraktion vorliegen und eine Größe von vorzugsweise 1 bis 5 mm aufweisen. Bei der flugfähigen Fraktion handelt es sich beispielsweise um Fluff-Wolle, mehlförmigen Fluff oder Fluff-Pellets. Zur Förderung des Brennstoffs 1 auf der Zuführstrecke 2 sind geeignete Transportmechanismen, wie beispielsweise Transportbänder, Kratzer, Saugförderer, etc. vorgesehen.
Zwischen der Mühle 3 und der Verbrennungszone 5 ist ferner eine erste Analyseeinrichtung 4 für eine erste chemische Analyse angeordnet, die beispielsweise in einer Röntgenfluoreszenzanalyse oder einer molekülspektroskopischen Analyse (Infrarotspektroskopie, Ramanspektroskopie, UV/VIS-Spektroskopie) bestehen kann. Vorzugsweise kommt hier jedoch eine Terahertz-Spektroskopie zur Anwendung. Dabei wird der Brennstoff 1 in festen Zeitrastern automatisch von der ersten Analyseeinrichtung 4 erfasst, wobei die erfassten Daten entsprechend ausgewertet werden. Die Terahertz-Spektroskopie ermöglicht insbesondere die Bestimmung von Heizwert, Feuchte, Kohlenstoff- und Chlorgehalt.
Die Terahertz-Spektroskopie stellt eine zuverlässige Methode zur berührungslosen und zerstörungsfreien Untersuchung von Materialien dar, die sich insbesondere für den hier interessierenden Ersatzbrennstoff eignet. Die bei der Terahertz-Spektroskopie verwendeten elektromagnetischen Wellen liegen im Frequenzbereich zwischen 100GHz und 10Thz. Viele Moleküle zeigen in diesem Spektralbereich charakteristische Signaturen in ihren Absorptionsspektren, die einen chemischen Fingerabdruck bilden. Darüber hinaus sind viele für sichtbares Licht oder Infrarot undurchdringliche Stoffe für Terahertz-Wellen transparent. Die Terahertz-(Zeitbereichs)spektroskopie beruht auf der Erzeugung breitbandiger elektromagnetischer Strahlung durch ultrakurze Femtosekunden-Laserpulse und auf dem Nachweis mit dem Pump-Probe-Prinzip. Die Vorteile dabei sind eine kohärente Detektion der Terahertz-Wellen und damit eine hochauflösende Amplituden- und Phasenaufnahme des elektrischen Terahertz-Feldes im Zeitbereich. Diese Messtechnik unterdrückt inkohärente Strahlung, d. h. es gibt keine Störungen durch Raumtemperatur und Umgebungslicht.
So lassen sich mit Hilfe der Terahertz-(Zeitbereichs)Spektroskopie chemische Substanzen nachweisen und identifizieren. Dank der hohen Selektivität werden reine Substanzen oder Substanzgemische spezifisch detektiert. Im Unterschied zur IR- und Ramanspektroskopie, die empfindlich für intramolekulare Schwingungs- und Rotationsbewegungen sind, gibt die Terahertz-Spektroskopie Aufschluss zu den intramolekularen Bewegungen. So lassen sich neben dem Nachweis von Makromolekülen auch Aussagen über den Aggregatzustand, polymorphe Strukturen sowie die Kristallinität der Substanzen treffen. Die Terahertz-Spektroskopie kann daher vorteilhafterweise zusätzlich oder auch als Ersatz zur Röntgenbeugung verwendet werden, da sie schneller ist, minimale Probenpräparation erfordert und prinzipiell zur Online-Kontrolle genutzt werden kann. Messungen sind sowohl in Transmission als auch in Reflexion möglich.
Die bei der ersten chemischen Analyse ermittelten Werte werden zur Regelung des Brennprozesses in der Verbrennungszone 5 genutzt. Kommt in der Verbrennungszone 5 neben dem Brennstoff 1 ein zweiter Brennstoff 6 zur Anwendung, kann die Regelung des Brennstoffs aufgrund der ersten chemischen Analyse beispielsweise in einer Veränderung des Mengenverhältnisses der beiden Brennstoffe 1 und 6 bestehen. Des Weiteren kann die Regelung des Brennprozesses eine Veränderung der Verbrennungsluft 7 umfassen, welche der Verbrennungszone 5 zugeführt wird. Gemäß einer bevorzugten Anwendung ist die Verbrennungszone 5 Teil einer Zementherstellungsanlage und die Regelung des Brennprozesses kann insbesondere in einer Veränderung der Verteilung der dort anfallenden Primär-, Sekundär- und Tertiärluft bestehen.
Wird bei der ersten chemischen Analyse festgestellt, dass der untersuchte Brennstoff aufgrund seiner Eigenschaften (beispielsweise ein zu hoher Chlorgehalt) nicht zur Verbrennungszone gelangen soll, kann eine Teilmenge 1`` des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches aussortiert werden.
In Abhängigkeit der bei der ersten chemischen Analyse ermittelten Werte und/oder zu bestimmten Zeiten, die auch dynamisch angepasst werden können, ist des Weiteren vorgesehen, dass ein Teil 1` des in der ersten Analyseeinrichtung 4 bereits analysierten Brennstoffs ausgeschleust und einer zweiten chemischen Analyse zugeführt wird.
Dazu wird der ausgeschleuste Brennstoff 1´ zunächst in einer Aufbereitungseinrichtung 8 zu analysefertigen Proben 9 aufbereitet und anschließend in einer zweiten Analyseeinrichtung 10 der zweiten chemischen Analyse unterzogen, wobei beispielsweise ein oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Analyseverfahren zur Anwendung kommen können: Röntgenfluoreszenzanalyse, Terahertz-Spektroskopie, Elementaranalyse, Heizwertbestimmung...
In einer Auswertungseinrichtung 11 werden die ermittelten Daten der zweiten Analyseeinrichtung 10 weiter verarbeitet, wobei insbesondere chemometrische Methoden angewandt werden, um aus den Daten chemische Informationen zu extrahieren. Die gewonnenen chemischen Informationen können dann insbesondere mit selbstlernenden Algorithmen in ein oder mehreren Datenbanken zusammengefasst und klassifiziert werden, wobei zur Strukturierung der Daten bzw. Datensätze auch die Clusteranalyse zur Anwendung kommen kann.
Die bei der zweiten chemischen Analyse ermittelten Werte werden dann ebenfalls zur Regelung des Brennprozesses in der Verbrennungszone 5 genutzt.
2 zweigt ein Blockschaltbild der Aufbereitungseinrichtung 8, in welcher der ausgeschleuste Brennstoff 1´ für die anschließende zweite chemische Analyse in drei Verfahrensschritten aufbereitet wird. Im ersten Verfahrensschritt a) wird der ausgeschleuste Brennstoff 1´ in zerkleinerter und homogenisierter Form bereitgestellt. Diese Bereitstellung kann eine weitere Zerkleinerung und Homogenisierung in ein oder mehreren Stufen umfassen, wie nachfolgend aus 3 ersichtlich wird. Der ausgeschleuste Brennstoff 1´ sollte zweckmäßigerweise eine Größe von weniger als 10 mm aufweisen.
Im Verfahrensschritt b) werden der ausgeschleuste Brennstoff 1´ anschließend zusammen mit einem Mineral 12, beispielsweise Quarz oder Korund und/oder einen anorganischen Salz 13, insbesondere Lithiumtetraborat, in einer Mühle 14 vermahlen. Bei der Mühle 14 handelt es sich beispielsweise um eine Scheibenschwingmühle, wobei das Gemisch aus Brennstoff 1´ und dem Mineral 12 und/oder dem anorganischen Salz 13 auf eine Größe < 100 µm vermahlen wird.
Im Verfahrensschritt c) wird schließlich aus dem vermahlenen Gemisch 15 die analysefertige Probe 9 gefertigt. Dies kann insbesondere mit Hilfe einer Presse 16 erfolgen, die das vermahlene Gemisch 15 in einer bestimmten Form, beispielsweise einen Fladen oder eine Tablette, presst. Material wird z.B. in einen Stahlring gepresst, wobei der Stahlring an seiner Innenseite eine umlaufende Nut aufweisen kann, um ein besseres Anhaften des gepressten Probenmaterials zu gewährleisten.
Im Blockschaltbild gemäß 3 wird insbesondere der Verfahrensschritte a) in einer detaillierteren Variante dargestellt und darüber hinaus mit einer anschließenden zweiten chemischen Analyse des Brennstoffs kombiniert.
Die Bereitstellung des ausgeschleusten Brennstoffes 1´ in zerkleinerter und homogenisierter Form gemäß dem Verfahrensschritt a) umfasst gemäß 3 eine Vorzerkleinerung und Homogenisierung in einer ersten Mühle 18, einen Magnetabscheider 19 und eine Endzerkleinerung und Homogenisierung in einer zweiten Mühle 20. Der noch zu zerkleinernde und homogenisierende, ausgeschleuste Brennstoff 1´ wird beispielsweise von einem Lagerplatz oder Bunker abgezogen, kann aber auch direkt als Probe während der Zuführung des Brennstoffes 1 zur Verbrennungszone 5 abgezweigt werden (siehe 1). Der ausgeschleuste Brennstoff 1` wird zunächst für eine Vorzerkleinerung und Homogenisierung der ersten Mühle 18 zugeführt, die den Ersatzbrennstoff beispielsweise mittels Rotorscheren, einer Schneidmühle oder einer Wirbelstrommühle zerkleinert, anschließend gelangt Brennstoff in den Magnetabscheider 19, bevor es in der zweiten Mühle 20 einer Endzerkleinerung und Homogenisierung unterzogen wird. Die zweite Mühle kann ebenfalls durch eine Schneidmühle oder eine Wirbelstrommühle gebildet werden. Der Transport zwischen den Aggregaten erfolgt beispielsweise mittels Schwerkraft, über Schurren oder geeignete Transportmechanismen, wie Transportbänder, Kratzer oder durch Saugförderung, etc.
Der auf diese Weise bereitgestellte Ersatzbrennstoff 1´ wird dann anschließend, wie schon oben beschrieben, gemäß dem Verfahrensschritten b) und c) weiter verarbeitet. An ausgewählten Messpositionen kann zudem vor und/oder nach jedem Zwischenschritt eine Untersuchung mittels Terahertz-Spektroskopie 17 erfolgen.
Die analysefertige Probe 9 wird anschließend in der zweiten Analyseeinrichtung 10 der zweiten chemischen Analyse unterzogen, wobei beispielsweise ein oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Analyseverfahren zur Anwendung kommen können: Röntgenfluoreszenzanalyse, Terahertz-Spektroskopie, Elementaranalyse, Heizwertbestimmung, etc.
In der Auswertungseinrichtung 11 werden die ermittelten Daten der zweiten Analyseeinrichtung 10 und der ggf. zum Einsatz kommenden Terahertz-Spektroskopie 17 weiter verarbeitet, wobei insbesondere chemometrische Methoden angewandt werden, um aus den Daten chemische Informationen zu extrahieren. Die gewonnenen chemischen Informationen können dann insbesondere mit selbstlernenden Algorithmen in ein oder mehreren Datenbanken zusammengefasst und klassifiziert werden, wobei zur Strukturierung der Daten bzw. Datensätze auch die Clusteranalyse zur Anwendung kommen kann.
Die bei der zweiten chemischen Analyse ermittelten Werte werden dann ebenfalls zur Regelung des Brennprozesses in der Verbrennungszone 5 (1) genutzt. Die bei der zweiten chemischen Analyse gewonnenen Informationen können ferner dazu genutzt werden, die erste chemische Analyse zu überprüfen und zu verbessern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

EU-Richtlinie 2000/76/EG [0005]

Claims

Verfahren zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten in einem Brennprozess, wobei wenigstens ein Brennstoff (1) oder wenigstens ein Brennstoffgemisch zum Einsatz kommt, wobei der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch über eine Zuführstrecke wenigstens einer Verbrennungszone (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (1) oder das Brennstoffgemisch während seiner Förderung zu der Verbrennungszone (5) wenigstens einer ersten chemischen Analyse unterzogen wird und die bei der ersten chemischen Analyse ermittelten Werte zur Regelung des Brennprozesses verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennprozess im Rahmen eines Zementherstellungsprozesses stattfindet und die Verbrennungszone (5) durch einen Drehrohrofen und/oder einen Vorcalcinator gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (1) oder das Brennstoffgemisch über wenigstens einen Brenner der Verbrennungszone (5) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (1) ein erster Brennstoff und ein zweiter Brennstoff in der Verbrennungszone (5) zum Einsatz kommen, wobei die Regelung des Brennprozesses eine Veränderung des Verhältnisses der beiden Brennstoffe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten chemischen Analyse der Heizwert und/oder die Feuchte und/oder der Kohlenstoffgehalt und/oder der Chlorgehalt des Brennstoffs (1) oder Brennstoffgemisches ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten chemischen Analyse der Schwefelgehalt und/oder Schwermetallgehalt des Brennstoffs (1) oder Brennstoffgemisches ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemischen Analyse eine Röntgenfluoreszenzanalyse und/oder eine molekülspektroskopische Analyse zur Anwendung kommen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der molekülspektroskopischen Analyse um eine Methode zur Schwingungsspektroskopie, insbesondere um eine Terahertz-Spektroskopie handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten chemischen Analyse eine Teilmenge (1``) des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches aussortiert wird, wenn diese aufgrund der ersten chemischen Analyse nicht zur Verbrennungszone gelangen soll.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Brennprozesses eine Veränderung der Verbrennungsluft (7) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Brennprozesses eine Verstellung der Flammenform am Brenner umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (1) oder das Brennstoffgemisch als flugfähige Fraktion der Verbrennungszone (5) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die flugfähige Fraktion in einer Größe von 1 bis 5mm der Verbrennungszone zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch Klärschlamm enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (1) oder das Brennstoffgemisch auf der Zuführstrecke (2) zu der Verbrennungszone (5) in wenigstens einer Mühle (3) zerkleinert und/oder homogenisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (1`) des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches auf der Zuführstrecke (2) zu der Verbrennungszone (5) ausgeschleust und für eine zweite chemische Analyse aufbereitet und analysiert wird, wobei a. der ausgeschleuste Brennstoff oder Brennstoffgemisch zerkleinert und homogenisiert wird, b. der so aufbereitete Ersatzbrennstoff anschließend zusammen mit einem Mineral und/oder einem anorganischen Salz vermahlen wird und c. schließlich aus dem vermahlenen Gemisch eine analysefertige Probe gefertigt wird, welche der zweiten chemischen Analyse unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auch die bei der zweiten chemischen Analyse ermittelten Werte zur Regelung des Brennprozesses verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschleusen eines Teils des Brennstoffs oder Brennstoffgemisches in Abhängigkeit der bei der ersten chemischen Analyse ermittelten Werte erfolgt.